Роботы, дроны и датчики уже сейчас помогают проводить проверки, а в недалеком будущем их можно будет полностью автоматизировать.

Дроны и ползающие роботы, оснащенные специальными сканерами, могут помочь ветряным лопастям оставаться в эксплуатации дольше, что может снизить стоимость ветряной энергии в то время, когда лопасти становятся больше, дороже и сложнее для транспортировки. С этой целью исследователи из Blade Reliability Collaborative DoE и Sandia National Laboratory работают над способами неинвазивного осмотра ветряных лопастей на предмет скрытых повреждений, которые были бы быстрее и более подробными, чем традиционные проверки людьми с камерами.

Ветряные лопасти — самые большие цельные композитные конструкции, построенные в мире, даже больше любого самолета, и их часто устанавливают на машины в отдаленных местах. Лопасть подвергается воздействию молнии, града, дождя, влажности и других сил, проходя через миллиард циклов нагрузки в течение своего срока службы, но вы не можете просто посадить ее в ангар для обслуживания.

Пакетт говорит, что регулярный осмотр и ремонт имеют решающее значение для поддержания лопаток турбины в рабочем состоянии. Однако современные методы осмотра не всегда позволяют достаточно быстро обнаружить повреждение. Sandia использует опыт исследований в области авионики и робототехники, чтобы изменить это. Обнаруживая повреждение до того, как оно станет заметным, более мелкие и дешевые ремонты могут исправить лопатку и продлить срок ее службы, говорит он.

В одном проекте Sandia оснастила ползающего робота сканером, который ищет повреждения внутри лопастей ветрогенератора. Во второй серии проектов Sandia соединила дроны с датчиками, которые используют тепло солнечного света для обнаружения повреждений.

Традиционно ветроэнергетика использует два основных подхода к проверке лопастей ветрогенераторов, говорит Пакетт. Первый вариант — отправить кого-то с камерой и телеобъективом. Инспектор переходит от лопасти к лопасти, делая фотографии и высматривая видимые повреждения, такие как трещины и эрозия. Второй вариант похож, но вместо того, чтобы стоять на земле, инспектор спускается по веревке с вышки ветрогенератора или перемещает платформу на кране вверх и вниз по лопасти.

При этих визуальных осмотрах вы видите только поверхностные повреждения. Однако часто к тому времени, как вы видите трещину на внешней стороне лезвия, повреждение уже довольно серьезное. Вам предстоит дорогостоящий ремонт или, возможно, вам даже придется заменить лезвие.

Эти проверки были популярны, потому что они доступны по цене, но они не могут обнаружить повреждение до того, как оно перерастет в большую проблему, говорит Пакетт. Ползающие роботы и дроны Sandia нацелены на то, чтобы сделать неинвазивный внутренний осмотр лопастей ветряных турбин жизнеспособным вариантом для отрасли.

Sandia и партнеры International Climbing Machines и Dophitech создали ползающего робота, вдохновленного машинами, которые осматривают плотины. Робот может двигаться из стороны в сторону и вверх и вниз по лопасти ветрогенератора, как кто-то, кто красит рекламный щит. Бортовые камеры делают снимки высокой точности для обнаружения поверхностных повреждений, а также небольших демаркаций, которые могут сигнализировать о более крупных подповерхностных повреждениях. Во время движения робот также использует зонд для сканирования лопасти на предмет повреждений с помощью ультразвуковой визуализации с фазированной решеткой.

Сканер работает так же, как ультразвуковые аппараты, используемые врачами для осмотра внутренних органов, за исключением того, что в этом случае он обнаруживает внутренние повреждения лезвий. Изменения в этих ультразвуковых сигнатурах автоматически анализируются для выявления повреждений.

Старший научный сотрудник Sandia и руководитель проекта по созданию роботизированного гусеничного аппарата Деннис Роуч говорит, что ультразвуковой контроль с фазированной решеткой может обнаружить повреждения на любом слое внутри толстых композитных лопастей.

Удар или перенапряжение от турбулентности создает подповерхностные повреждения, которые не видны. Идея состоит в том, чтобы обнаружить повреждения до того, как они достигнут критического размера и могут быть устранены менее дорогостоящим ремонтом, который также сокращает время простоя лопасти. Мы хотим избежать любых сбоев или необходимости снимать лопасть.

Роуч рассматривает роботизированные гусеничные машины как часть комплексного метода проверки и ремонта лопастей ветрогенераторов.

Представьте себе ремонтную бригаду на платформе, поднимающуюся по лопасти ветрогенератора, а робот ползет впереди. Когда робот что-то находит, инспекторы могут попросить робота отметить место, чтобы местоположение подповерхностного повреждения было очевидным. Ремонтная бригада шлифует повреждение и ремонтирует композитный материал. Этот комплексный подход к осмотру и ремонту позволяет быстро вернуть лопасть в эксплуатацию.

Sandia также работала с несколькими малыми предприятиями в серии проектов по оснащению дронов инфракрасными камерами, которые используют тепло солнечного света для обнаружения скрытых повреждений лопастей ветра. Этот метод, называемый термографией, обнаруживает повреждения на глубине до полудюйма внутри лопасти.

Мы разработали метод, который нагревает лезвие на солнце, а затем вращает или наклоняет лезвие, пока оно не окажется в тени. Солнечный свет рассеивается в лезвии и выравнивается. По мере рассеивания этого тепла вы ожидаете, что поверхность лезвия остынет. Но дефекты, как правило, нарушают тепловой поток, оставляя поверхность над дефектами горячей. Инфракрасная камера обнаруживает эти горячие точки и помечает их как обнаруженное повреждение.

В настоящее время существуют наземные термографические устройства, используемые в других отраслях, например, для обслуживания самолетов. Поскольку камеры устанавливаются на беспилотниках для этого применения, приходится идти на уступки, говорит Эли.

Вам не нужно что-то дорогое на дроне, который может разбиться, и вам не нужен пожиратель энергии. Поэтому мы используем действительно маленькие ИК-камеры, которые соответствуют нашим критериям, а затем используем оптические изображения и лидар для предоставления дополнительной информации.

Лидар, который похож на радар, но использует видимый свет вместо радиочастотных волн, измеряет, сколько времени требуется свету, чтобы добраться до точки и от нее, чтобы определить расстояние между объектами. Черпая вдохновение из программы NASA Mars Lander, исследователи использовали датчик лидара и воспользовались движением дрона для сбора изображений сверхвысокого разрешения. Дрон, осматривающий лопасть ветрогенератора, движется, делая снимки, и это движение позволяет собирать изображения сверхвысокого разрешения.

Вы используете движение, чтобы заполнить дополнительные пиксели. Если у вас есть камера 100 на 100 пикселей или лидар и вы делаете один снимок, это разрешение — все, что у вас будет. Но если вы перемещаетесь во время съемки, на величину субпикселя, вы можете заполнить эти пробелы и создать более тонкую сетку. Данные из нескольких кадров можно объединить для изображения с суперразрешением.

Использование лидара и сверхвысокоразрешающей визуализации также позволяет исследователям точно отслеживать место повреждения лезвия, а лидар также может измерять эрозию на кромках лезвия.

Автономные проверки мостов и линий электропередач уже стали реальностью, и Пакетт полагает, что они также станут важными элементами обеспечения надежности лопастей ветряных электростанций.

Автономная инспекция станет огромной областью, и она действительно имеет смысл в ветроэнергетике, учитывая размер и расположение лопастей. Представьте, что вместо того, чтобы человеку приходилось ходить или ездить от лопасти к лопасти в поисках повреждений, инспекции были бы автоматизированы.

Пакетт утверждает, что существуют возможности для различных методов проверки: от простых наземных камер до совместной работы беспилотников и гусеничных роботов для определения состояния лезвия.

Я могу представить, что у каждой ветряной электростанции будет дрон или флот дронов, которые будут взлетать каждый день, летать вокруг ветряных турбин, проводить все проверки, а затем возвращаться и загружать свои данные. Затем оператор ветряной электростанции придет и просмотрит данные, которые уже будут прочитаны искусственным интеллектом, который ищет различия в лопастях с предыдущих проверок и отмечает потенциальные проблемы. Затем оператор разместит роботизированный гусеничный робот на лопасти с предполагаемым повреждением, чтобы получить более подробный обзор и спланировать ремонт. Это было бы значительным шагом вперед для отрасли.